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石墨烯被认为是将会改变21世纪的材料,如果真是这样,那么世界将会变成什么样子呢。可能的话,我们的衣食住行都会焕然一新,能源和环境问题也能双双得到解决,甚至可以乘电梯去外太空。
石墨烯在医疗和环境上将有大作为。据悉,中国科学技术大学材料力学研究团队与诺贝尔物理学奖得主、英国曼彻斯特大学安德烈·海姆教授团队合作,实验制备出最小尺寸的石墨烯通道,可以显著提升纳米尺度下水的输运效率,为设计用于海水淡化、气体分离、人体仿生的新型纳米流体器件提供了技术基础。
海水淡化技术
淡水短缺是当今世界面临的严峻问题之一。地球上虽然水资源很丰富,但其中96.5%的是海水,并不能直接使用,而淡水还有约69%是以冰川的形式储存在南北极。剩下的淡水还经受着工业三废(废水,废气,废渣)的污染,使得很多地区淡水严重不足, 我国约有670个城市中,一半以上存在着不同程度的缺水现象,其中严重缺水的有一百一十多个。因此人们迫切需求水的净化技术。另一方面,西亚等地区虽然临海,但奈何海水无法直接饮用,如果开发出有效的海水淡化处理技术,淡水短缺这以全球性问题将得到有效解决。
美国宾夕法尼亚州立大学原子中心主任与日本信州大学的研究人员合作,开发出一种基于石墨烯的脱盐膜,比目前的各种过滤膜更坚固耐用、效率更高。 该研究开发的杂化膜采用简单的喷涂技术将溶液中的氧化石墨烯和少量层状石墨烯包覆在聚乙烯醇改性聚砜的骨架支撑膜上。支撑膜增强了杂化膜的牢固性,使其能够承受强烈的横流、高压和氯接触。尽管目前该技术还处于开发的早期阶段,膜样品已可过滤掉85%的盐,制取的水虽还不能直接饮用,但已可用于农业灌溉。研制的膜还能够过滤掉96%的染料分子,因此可以用于纺织工业的废水处理,防止废水直接排放到河流中污染环境。
如果这项技术成熟,那么人人都可以喝到干净的水了,伴随着的是疾病将会大大减少
人造皮肤
皮肤是人们不太关注的对象,因为日常生活中皮肤被刮擦很多次也不见有什么问题,更何况还要脱去死皮呢。但皮肤是人体非常重要的夜歌器官,除了我们最熟悉的感受冷热和压力的触觉外,还有两个重要的作用。一方面防止体内水份、电解质、其他物质丢失;另一方面阻止外界有害物质的侵入。可是现代医学还没有合适的人造皮肤,如果遭遇烧烫伤、车祸、外伤等引起皮肤缺损,形成皮肤创面,将极易导致水、电解质和酸碱平衡失调、休克、感染以及败血症的发生。皮肤是人体免疫系统中极其重要的第一道防线,如果是大面积的皮肤损伤,即使安全度过了前期,也会因为丧失免疫力而感染或患癌症而死。
重庆石墨烯研究院有限公司与四川大学高分子材料工程国家重点实验室,以及第三军医大学西南医院的科研人员合作研究了“石墨烯高分子复合人工皮肤”。这个团队也是率先在国际上开展石墨烯高分子复合人工皮肤的实验研究的团队,并取得新突破。与现有人工皮肤相比,石墨烯用于人工皮肤的优势在于:石墨烯具有良好的力学性能、巨大的比表面积、良好的生物相容性、无毒无味;复合材料中的氧化石墨烯具有强大的抑菌作用,赋予人工皮肤抗菌性,起到杀菌消炎效果;石墨烯可调控复合材料内部孔结构,促进气体交换,加速伤口愈合;石墨烯可通过改变细胞外胶原排列而明显改善创面修复质量。目前,“石墨烯高分子复合人工皮肤”已进入临床试验,不久后即将进入临床应用。“这款产品的研发成功,为未来研究真正可替代、置换人类皮肤的产品迈进了一步。”
柔性手机
手机已经成为我们日常生活中必不可少的电子器件了,手机兼具了联系工具、照相机、钱包、钥匙等能。但还是有很多让我们困扰的缺陷,其中最头疼当属不经摔和电池不耐用了。相信每个人都遭遇过摔碎手机屏幕的窘境,都体会过手机没电的尴尬。为了解决这些问题,我们也给出了相应的对策,为了保护屏幕,我们给手机带保护套,贴钢化膜,为了避免手机没电,我们随身携带着充电宝。然而这些并不能从根本上解决问题,还因增加附重和厚度影响体验。未来的手机如何解决这些问题,希望落在了石墨烯上。
石墨烯手机炒得热,但真正意义上的石墨烯手机还未出现。石墨烯应用到手机上三个最重要的特性是强度高、可弯曲、和导电性。目前,市面上常见的触摸屏非常脆,因为它们通常是用铟锡氧化物制成,并覆盖上了一层玻璃,这样当它坠落到地上的时候,很容易就会被摔得粉碎。这种铟锡氧化物不仅易碎,它的制备还很困难,这让维修触摸屏的费用一直高居不下,以至于每次换屏时都恨不得直接换手机。英国萨塞克斯大学的科学家们通过研究发现,我们可以将石墨烯和银纳米线结合到一起,生成一种和常规显示屏性能相似的屏幕,而这种制造技术的成本只是常规显示屏制造成本的一小部分。这种材料同时还非常柔韧,这样一来,它就无需一个玻璃保护层,这意味着触摸屏的顶层可以替换成一些更易弯曲、更不易被摔坏的材料,比如有机玻璃。传统电池容量受安全性和稳定性的限制,电池容量始终难以提高。浙江大学研究出来的石墨烯柔性电池,将它弯折1万次后,容量完全保持;而且即使电芯暴露于火焰中也不会起火或爆炸。这两项技术目前还在实验室阶段,而且柔性手机是还不算高端,未来的手机可能会是透明的,手机的运行速度可能会成倍的提高。
前面所述的只是有实验基础的想象,石墨烯还有更广阔的前景,很多科学家们梦想着的太空电梯有望通过石墨烯实现。太空电梯的概念最早来自20世纪年70年代,著名的火箭科学先驱者齐奥尔科夫斯基设想了一个建立在巨塔顶端的"天空城堡",和地面用一根缆绳连接起来,成为向太空运输人和物的新捷径。科幻作家阿瑟·克拉克在1978年出版的《天堂之泉》("Fountains of Paradise")中曾描写过太空电梯的构想,人们可乘电梯去太空观光并运送货物。虽然听起来很不可思议,但在科学家们的努力下,渐渐变得可能了,最大的难题是要找到一根足够结实的缆绳,这根缆绳不仅要能够承担被运输物体的重量,还要承担自身上万公里长度的重量。石墨烯的超轻和超高强度给这一研究带来了新的曙光,未来如果太空电梯实现,那么去太空将变得方便多了。